一级欧美在线高清视频_亚洲一区在线观看精品_成人专区亚洲专区无码_亚洲中文字幕日韩经典空组_?啪啪网站免费_f免费观看四虎精品国产_日韩欧美永久中文字幕视频_下药人妻无码不卡_日韩特一级毛片在线观看_男女午夜人成免费视频

技術(shù)文章

步進和伺服電機驅(qū)動選型應(yīng)用速成

作者: 發(fā)布時間:2024-07-01

概述:本文主要針對設(shè)備制造商相關(guān)人員,如項目經(jīng)理、機械設(shè)計、電氣、軟件運動控制工程師,講述步進電機、伺服電機(本文都指永磁同步交流伺服電機)的作用,選用方法及周邊配套設(shè)施的選配和主要應(yīng)用經(jīng)驗。
 
1 步進和伺服電機的各自特點、優(yōu)缺點介紹
 
1.1 兩種電機在點位控制或調(diào)速應(yīng)用的介紹
步進、伺服電機主要用于精確定位場合,也都可以用于調(diào)速應(yīng)用。步進電機因效率低,一般不做為動力用;因存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動,不推薦用于轉(zhuǎn)矩控制。伺服系統(tǒng)則可以做轉(zhuǎn)矩控制,還可考慮取代變頻驅(qū)動當(dāng)動力用。
步進電機做調(diào)速應(yīng)用時,控制指令通常用脈沖指令,靠改變脈沖頻率來調(diào)速。相對變頻器調(diào)速,有低速力矩大,易于控制啟停,加減速時間短的優(yōu)勢(合適的電壓及負(fù)載條件下,百毫秒級就能達(dá)到目標(biāo)速度)。而且調(diào)速范圍較寬,在負(fù)載慣量比匹配合理的條件下,通常不需要另加減速機構(gòu)。缺點在于運行噪音相對大一些。
伺服電機做調(diào)速應(yīng)用相對變頻調(diào)速來說也有加減速時間短的優(yōu)勢,通??勺龅綆资畟€毫秒就達(dá)到預(yù)期速度,調(diào)速范圍更寬。在做調(diào)速、轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用時,控制信號建議用模擬量電壓信號。
 
1.2 步進和伺服的性能特點及對比: 
 

過載能力

轉(zhuǎn)速范圍

振動噪音

控制精度

速度響應(yīng)

步進

步進電動機一般不具有過載能力。步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降,且在較高速時會急劇下降。

最大轉(zhuǎn)速推薦:

35,39機座2000RPM以下;

42,57機座1500RPM以下;

86機座1000RPM以下;

110,130機座600RPM。

低頻共振是步進電機的固有屬性。運用抗低頻共振等新控制技術(shù)也僅能一定程度上改善。而且步進電機中高速運行的噪音也較大。

兩相步進電機步距角1.8°,考慮到步距角的最大誤差為±5%,故定位精度為 0.18°

加速到最高轉(zhuǎn)速一般30~400毫秒,短行程(不到1圈);短時間內(nèi)(例如1秒)多次啟停,或機械連接剛性較低這些應(yīng)用狀況下有優(yōu)勢

伺服

有較強的過載能力,一般最大轉(zhuǎn)矩可為額定轉(zhuǎn)矩的2~3倍,在額定轉(zhuǎn)速(如3000RPM)以內(nèi),都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。

最大轉(zhuǎn)速推薦:

80及以下機座建議3000RPM以內(nèi);

80以上~130機座建議2000RPM以內(nèi)。

 

運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn),即使在低速時低頻振動也非常小。

 

 

360°/ 編碼器倍頻后的線數(shù)。只要編碼器線數(shù)超過500,伺服電機精度就超過步進電機

加速性能較好,加速到最高速度僅需幾十毫秒。走長行程(2,3圈及以上時)伺服優(yōu)勢明顯

 
 
2 電機選型及應(yīng)用經(jīng)驗
 
2.1 電機驅(qū)動選型方法
  設(shè)備制造商在電機選型時,可參考以下方法:
1) 使用環(huán)境,需要的防護等級,運行噪音指標(biāo),溫升指標(biāo)等;
2) 確定機械規(guī)格,負(fù)載、剛性等參數(shù);
3) 確認(rèn)動作參數(shù):轉(zhuǎn)速、行程、加減速時間、周期、精度等;
4) 計算負(fù)載慣量、選擇電機慣量;
5) 計算電機所需轉(zhuǎn)矩;
6) 選擇最高轉(zhuǎn)速能滿足應(yīng)用要求的電機。
 
設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員可以按以下分工,來獲取這些信息
 

項目經(jīng)理

詳細(xì)了解設(shè)備生產(chǎn)出產(chǎn)品的工藝,應(yīng)用環(huán)境,適用環(huán)溫,精度,產(chǎn)能,機械結(jié)構(gòu),成本等參數(shù),進而確定所需電機的噪音指標(biāo)、防護等級、應(yīng)用溫濕度。依據(jù)工藝、產(chǎn)能、大致的結(jié)構(gòu),基本能得到每個電機的行程及每步動作分配的時間是多少,進而確定電機需求的轉(zhuǎn)速范圍,對應(yīng)上述介紹精度及建議的速度范圍數(shù)值,來確定選伺服還是步進的方向性。

機械設(shè)計人員

在機械傳動、結(jié)構(gòu)等設(shè)計之前,應(yīng)先對伺服或步進電機的型號規(guī)格做詳細(xì)的了解,按照電機行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸來設(shè)計,否則等設(shè)計好傳動、結(jié)構(gòu)后再來選電機,經(jīng)常會遇到:安裝空間不夠,沒有所需軸徑、軸長的標(biāo)準(zhǔn)電機;沒有所需的大力矩、合適慣量的電機等問題。影響進度,抬高成本。

備注

常用的控制類電機(包含伺服、步進)轉(zhuǎn)矩最大一般為50 NM (牛米)。睿馳慣量最大的步進電機型號為130HS45,慣量為:4.84*10-3(kg·m2)。步進電機軸徑、法蘭盤、端蓋固定孔位尺寸,大部分都是按照英制習(xí)慣。伺服電機尺寸一般都按照公制習(xí)慣。

機械設(shè)計人員要先計算運動部件的轉(zhuǎn)動慣量進而再計算需求力矩。

需估算項目

計算方法一

計算方法二

計算方法三

必要性

負(fù)載慣量估算J=m·r2

參考睿馳提供的計算表格公式

若結(jié)構(gòu)太復(fù)雜,請使用機械設(shè)計軟件PRO-E或Solidwork中自帶的計算慣量的功能計算結(jié)果

若得到結(jié)果實在太難,也要一個估算值,以便計算力矩及選定匹配電機的慣量

慣量匹配的問題被很多人忽略,實際應(yīng)用中若要達(dá)到平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)良好的運動效果,必須遵從慣量匹配原則


慣量匹配原則

對于步進電機:

通常建議折算到電機軸的負(fù)載慣量不大于電機轉(zhuǎn)子慣量的5倍

對于伺服電機:

電機伺服建議慣量比在10倍以內(nèi),最大不宜超過20倍。有關(guān)慣量匹配詳細(xì)信息,請參考睿馳應(yīng)用文章《淺析伺服系統(tǒng)中的慣量匹配原則》。

 

力矩估算

類別

計算原則

負(fù)載所需力矩的估算

公式:

 

T=(JL+JM)*αM

JL:折算到電機軸的負(fù)載總慣量

JM:電機的轉(zhuǎn)子慣量

αM:角加速度

伺服電機:

如果選用伺服電機,則所選用電機的額定轉(zhuǎn)速需略大于計算所需最高轉(zhuǎn)速,額定轉(zhuǎn)矩宜不小于計算所需最高轉(zhuǎn)矩(因為考慮到伺服電機一般都可以過載2到3倍,已有考慮了余量)

步進電機:

1、如果選用步進電機,則需用到步進電機的矩頻曲線,它是指在標(biāo)定的電壓,電流條件下,電機轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線。需注意你所計算得到的轉(zhuǎn)矩是指在你需求速度下的轉(zhuǎn)矩,而且,步進電轉(zhuǎn)機沒有過載能力,所以一般需把計算所得力矩再乘以安全系數(shù)1.5~2,得到一個考慮了余量的所需轉(zhuǎn)矩。

2、據(jù)此轉(zhuǎn)矩及前述計算得到的所需最大轉(zhuǎn)速來初選步進電機,在初選電機的矩頻曲線上,在縱坐標(biāo)軸上尋找到所需最大轉(zhuǎn)矩,然后在橫坐標(biāo)下查量出此轉(zhuǎn)矩下對應(yīng)可得到的轉(zhuǎn)速,此轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于計算所需最高轉(zhuǎn)速。按此方法就可以選定步進電機型號,然后可以參考電機的額定電流,電壓等參數(shù),來初選適配的驅(qū)動器。

 
 
2.2 應(yīng)用經(jīng)驗
1)電機與負(fù)載間合理裝配聯(lián)接。
2)需注意驅(qū)動、電機的散熱。
3)選配驅(qū)動器,電源,合理設(shè)置電流,細(xì)分。
4)正確的電氣連接,合理的電氣裝配工藝。
5)設(shè)計合理的運動曲線。
下表分別為設(shè)備制造商相關(guān)崗位人員如機械工程師、電氣工程師、軟件工程師提供一些參考

 

 

 

機械工程師參考

 

 

 

慣量和合理剛性

想得到高效、良好的運動效果,必須結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,負(fù)載慣量盡量小、電機與負(fù)載之間機械連接剛性盡量高。

裝配

1、依靠法蘭盤來保證電機安裝同心度。

2、電機安裝和應(yīng)用時需避免電機軸所受到的軸向力、徑向力超過電機標(biāo)稱值。

3、聯(lián)軸器或同步輪裝到軸上時,盡量靠近電機法蘭盤面(預(yù)防力臂太長導(dǎo)致個別電機斷軸)。

4、電機軸因公差配合等原因裝不上聯(lián)軸器、同步帶輪時,不能敲擊帶輪、連軸器,硬擠進去,這樣做很容易損壞電機內(nèi)部軸承,而且對帶有編碼器的伺服類電機,還特別容易損傷編碼器。

散熱

電機、驅(qū)動器實際工況如果為連續(xù)工作制或運行時間比例較高的斷續(xù)周期工作制,需考慮散熱問題。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

電氣工程師參考

如何選配驅(qū)動器

伺服電機通常有唯一配套的驅(qū)動器,不必費心選驅(qū)動器。步進電機需要選驅(qū)動器,主要依據(jù)兩點:所選驅(qū)動器的輸出有效電流不小于選定電機的額定電流;驅(qū)動器允許的輸入電壓大于電機矩頻曲線上寫的測試電壓。比如選57HS09,這款電機的額定電流為2.8A,推薦的電壓為36V,可以選擇DM556(型號名稱的意義請參考睿馳產(chǎn)品命名規(guī)則),DM556最大輸入電壓為50V,推薦輸入電壓為36V,最大輸出電流(有效值)為5.6 /   =4A。

如何選擇電源

   選擇電源,需確定輸出電壓及輸出功率。步進電機驅(qū)動器供電壓的選取可參照《步進電動機在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)驗》:“步進電機廠經(jīng)常會給出步進電機的額定電壓,此電壓其實就是電機的額定電流與電機繞組電阻的乘積,一個重要工程應(yīng)用經(jīng)驗:輸入電壓一般選定在步進電機額定電壓的3~25倍;步進電機一定時,供電電壓越高,步進電機在中高速能產(chǎn)生的力矩越大,越有利于需要高速應(yīng)用的場合,但電機的發(fā)熱隨著電壓、電流的增加而加大,所以要注意電機的溫升限值?!?步進電驅(qū)動器電源電壓選擇推薦如下:

電機機座推薦電源電壓備注3524~36VDC 39 42 5724~48 VDC 8636~68 VDC863S68H、86HS120這兩款推薦110VAC電源110180~220VAC 130 

供電電源的輸出電流建議根據(jù)電機的標(biāo)稱額定電流I來確定。如果采用線性電源,電源電流建議?。芍档?0%;如果采用開關(guān)電源,建議電源電流取I值。如果由一個電源同時給幾個驅(qū)動器供電,可考慮按照前述指引下的電流值,乘以驅(qū)動器個數(shù),再乘以70%即可。

設(shè)定電流值

步進電機驅(qū)動器的電流值設(shè)定,一般是設(shè)定在額定電流的70%~100%,然后按照最大負(fù)載,最大加速度,最惡劣工況試運行,如果電機的殼體穩(wěn)態(tài)溫度不超過80度,則電流設(shè)置合適,否則,可以把電流減小一、二檔再試運行,驗證殼體穩(wěn)定溫度不超過80度,而電機又沒有出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象,則電流設(shè)置合適。

設(shè)定細(xì) 分

細(xì)分?jǐn)?shù)/分辨率設(shè)定,對步進而言,推薦按照出廠默認(rèn)的8細(xì)分即1600個脈沖每轉(zhuǎn)的狀態(tài)。經(jīng)我們的測試及推算,細(xì)分?jǐn)?shù)超過8對提升精度沒有明顯作用,但更大的細(xì)分?jǐn)?shù)對減小低速噪音會有一定效果。在相同電機轉(zhuǎn)速的情況下,細(xì)分越高,則所需上位機發(fā)出的脈沖頻率越高。例如電機如果為3000RPM,在8細(xì)分時,上位機發(fā)出脈沖頻率為80KHZ即可,但如果細(xì)分為16,則上位機發(fā)出脈沖頻率需達(dá)160KHZ,而很多PLC發(fā)出脈沖頻率最高僅100KHZ,那就不能用16細(xì)分。對伺服來說,也推薦按照默認(rèn)設(shè)置10000脈沖每轉(zhuǎn)的分辨率,這個分辨率在精度方面基本能適應(yīng)絕大部分的場合。

布線規(guī) 則

請將載有弱信號(方向,脈沖,使能,編碼器反饋等)的信號線與強電導(dǎo)線(電壓高或電流大,如電機繞組線、驅(qū)動器電源線、變頻器輸入、輸出動力線等)盡量分開來走線。

電線電纜的選擇

選用拖鏈電纜的原則:電機與驅(qū)動器若存在相對運動則電機(編碼器)延長線應(yīng)選拖鏈電纜;驅(qū)動器與電源或板卡存在相對運動時電源線或信號線應(yīng)選擇拖鏈電纜。線規(guī)選擇則按載流能力與線材截面積的對應(yīng)規(guī)則選定。1)強電導(dǎo)線線規(guī)選擇推薦參考圖3。若距離超過10米,建議截面積對應(yīng)翻倍。 2) 信號線線規(guī)選擇建議選0.3-1.0平方毫米(對應(yīng)AWG17—22)。

電氣裝配工藝注意事 項

連接到驅(qū)動器所有接線端子的電線端都不要浸錫,浸錫后易引起接觸面積變小,接觸電阻變大,導(dǎo)致弱信號被衰減,而強電端子接觸點處則可能過熱被燒壞。接線端子處若要套冷軋壓線帽,首先需按照線規(guī)選擇合適規(guī)格的冷軋壓線帽,注意觀察冷軋壓接后的尺寸,若不能與端子形成面接觸,請更換壓線帽或更改工藝。不允許帶電拔插驅(qū)動器的電源線或繞組線端子。

驅(qū)動器及電機接線提示

1)注意驅(qū)動器的供電電源極性不要搞錯,錯誤的狀態(tài)下上電,驅(qū)動器將可能直接損壞;驅(qū)動與電機間的連接,步進注意兩相八條線和三相六條線的顏色組合,請按照電機資料上標(biāo)明的顏色定義來接線。伺服驅(qū)動與電機繞組線連接時,需注意U,V,W相序應(yīng)正確對應(yīng),不支持互換兩相來實現(xiàn)電機換向。

驅(qū)動器控制信號接線 圖

2)具體見“圖1”及注釋

 

軟件工程師參考

合理規(guī)劃設(shè)置運動曲線、參數(shù)

1、規(guī)劃好每個軸的運動控制曲線

2、了解每個動作的時間、行程,合理的配置初速度、加速時間、最高速度、換向時間。以期望達(dá)到效率最高、效果最好

具體見“圖2”

 
 
圖1
 
驅(qū)動器控制信號接線圖注釋:
1) 脈沖,方向信號端的接線原理圖;首先需滿足驅(qū)動器的信號電壓幅度條件。再考慮上位系統(tǒng)的信號輸出類型,基本可分為:差分型、NPN型(漏、拉電流型)、PNP型(源、推電流型)
2) 以較為常見的NPN型輸出信號為例說明,緊緊抓住回路的概念:電流從信號電源的正端流向PUL+經(jīng)內(nèi)部電路后從PUL-端流出,再經(jīng)過上位控制器脈沖輸出口正端流向負(fù)端(NPN、PNP型脈沖輸出口的正負(fù)端都可理解成單向?qū)ㄩ_關(guān)),再從脈沖輸出口的負(fù)端流回信號電源的負(fù)端,如圖1形成完整的回路。差分型輸出較為特殊;通常任意一端拿出來既能產(chǎn)生推電流又能產(chǎn)生拉電流,所以不能把幾路差分信號的“同名端”并聯(lián)在一起形成共陽或共陰接法。無論上位輸出的類型和驅(qū)動器信號接口是什么類型,只要能形成完整、可開關(guān)的回路就行。
3)另請注意當(dāng)信號電壓不是5V,需接電阻來限定電流時,方向與脈沖的回路中都應(yīng)有各自的限流電阻而不要去共用一個電阻。
4)為保證驅(qū)動器、電機的正常工作,建議控制指令的電源和其它帶有感性負(fù)載的電源完全隔離。若不能隔離,請務(wù)必為感性負(fù)載設(shè)置續(xù)流二極管。
 
運動曲線、參數(shù)合理規(guī)劃設(shè)置:
軟件工程師需要做的有:規(guī)劃好每個軸的運動控制曲線,了解每個動作的時間、行程,合理的配置初速度、加速時間、最高速度、換向時間。以期望達(dá)到效率最高、效果最好。以梯形加減速為例,講述如何規(guī)劃設(shè)計一段運動曲線,見圖2及其說明。
若你的上位控制器不是通用的控制卡、PLC類,請注意以下幾點:
1. 控制信號的高低電平時間是否滿足驅(qū)動器說明書上的要求。驅(qū)動器的信號輸入頻率都有上限。步進通常為200KHZ,伺服通常為500KHZ,所謂的200K,500K都有一個前提:占空比在50%時。實際上200K也就是限定了高和低電平時間都不小于2.5微秒;500K時限定高和低電平時間都不小于1微秒。
2. 控制信號的幅度:高電平需高于3.5V;低電平需低于0.5V。MCU的輸出口通常不能直接帶動驅(qū)動器,需要設(shè)置放大電路來放大電流驅(qū)動能力,使脈沖方向輸出信號能達(dá)到典型應(yīng)用電流10毫安。
3. 控制信號的時序需滿足說明書上的要求。通常驅(qū)動器會要求方向信號至少提前脈沖有效沿1-2微秒的時間。
 
                          圖2
說明:                                 
V1:起跳速度
V2:最高速度
t1:加速時間
t3-t2:減速時間,通常設(shè)計成和加速時間t1一致。
機座60以下的步進電機,建議起跳速度設(shè)置在1.5轉(zhuǎn)/秒以下,達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦30-150毫秒,電機端蓋尺寸86MM及以上,建議初始速度在1轉(zhuǎn)/秒以下,達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速10轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦80-200毫秒。400W及以下伺服建議初始速度3轉(zhuǎn)/秒以下,達(dá)到推薦的最高應(yīng)用轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦15-200毫秒。750W-2000W伺服建議初始速度2轉(zhuǎn)/秒以下,達(dá)到30轉(zhuǎn)/秒的加減速時間推薦40-300毫秒。
知道總行程S,和允許的時間T,
就可以這樣計算出V1,V2,t1
S=(V1+V2)*t1+V2*(T-2t1);為方便計算令V1=0;則V2*(T-t1)=S;知道S,T值和V2,t1的經(jīng)驗取值范圍,確定V2和t1中的任一個,剩下的也就確定了。
 
圖3


在線咨詢
掃一掃

掃一掃

服務(wù)熱線
18958700055

返回頂部